激光技术是20世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一。用半导体激光二极管泵浦的固体激光器是新世纪的主要发展方向，它的体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好、寿命长，是目前发展最为迅速的极理想的泵浦光源。

　　由于半导体激光器驱动电源设计得不合理，导致激光器在使用中被电流击穿的事件经常发生，造成了工作延误和经济损失。在半导体激光器的应用范围越来越广泛的同时，半导体激光器驱动电源的需求量也越来越大，对其性能、工艺、可靠性的要求也越来越高。驱动电源的性能不良或保护措施不当，很容易损坏激光器。以前在半导体激光器电源中，保护措施比较复杂，从电源电路的设计考虑不易推广。国外的一些指标较高的电源采用了比较完善的保护技术，但其性能价格比较高。由于大功率半导体激光器的价格目前普遍较高，因而如何保护半导体激光器、延长半导体激光器的寿命是研制大功率半导体激光器驱动电源的重要问题。

　　1半导体激光器的工作原理

　　半导体激光器产生激光的机理，必须建立特定激光能态间的粒子数反转，并有合适的光学谐振腔。半导体激光器与气体或其他类型的固体激光器不同，后两者的辐射跃迁是发生于空间上分开的孤立激发态原子的分立能级之间。由孤立原子之间的跃迁所产生的自发辐射，光谱范围非常窄，但在半导体中，由于能带的交叠，光谱范围很宽，因此半导体的光学增益系数很高，这样光学谐振腔就可以做得比其他类型的激光器短的多。

　　2 半导体激光器电源的研究

　　2.1 供电模块

　　本模块的基本工作就是将给其他各个模块提供相应的直流或交流输入。

　　输入是220V AC，输出是多组低压交流电20V DC，整个变压器的功率小于20W，这样设计是因为虽然半导体激光器的功率只有1W左右，但其他各个模块，特别是信号发生模块和监控反馈模块有一些颇为消耗功率的元件。

　　2.2 整流稳流部分

　　通过4只二极管组成的整流桥，将低压交流电转换成低压的脉动直流，再通过电容滤波、78系列的三端稳压器后就可以得到比较理想的低压正向直流电。同理，我们还可以通过79系列得到低压的负向直流电。如果认为由电网的高频噪声也会通过电路耦合过来低压直流这边，我们可以在低压直流电源与地线之间并上一个0.1μF的电容，用它来吸收掉高频噪声。

　　2.3 信号发生模块

　　这个模块的功能就是产生输出给下一级的可变频率可调占空比的方波。在这里我采用的是由555组成的方波发生器。

　　2.4 功率放大模块

　　本模块主要的功能是将信号发生模块输入的信号不失真的放大为低压大电流的信号并输出驱动负载半导体激光器工作。在本文所设计的半导体激光器电源中由于信号发生器输出的是矩形波，即输出的信号输出到下一级是作为下一级电路的开关信号，因此对于本系统来说比较简单的功率放大模块就是一个功率三极管。从信号发生器输出的信号就是开关信号，开关信号驱动功率三极管在开和关的两种状态间转换。

　　2.5 慢启动电路

　　电路设计要保证激光器长期稳定地工作，设计慢启动电路的目的就是防止浪涌冲击。为此设计了慢启动电路原理图如图2。而慢关闭电路与慢启动电路类似。

　　2.6 半导体激光器的冷却装置

　　当半导体激光器输出激光时就会有热量产生，因而就必须给半导体激光器和半导体驱动器件附加散热和冷却装置。

　　图3电路的基本原理是用热敏电阻R，来测量半导体激光器的壳体温度。所测量的电压信号与温度设定的电压信号进行比较。如果半导体激光器的壳体温度高于设定的温度，则让电流通过帕尔帖器件，从而对激光器进行冷却。A1为LM368，T为2SK40S(此处用散热片)。

　　2.7 激光器保护模块

　　本模块除供电模块和半导体激光器外是与其它模块隔离的。这样做是为了尽量减少其它模块对本模块的干扰，同时也是避免对其它的模块干扰。如图4所示，在正常状态下B是断开的而A、C保持导通状态，一旦电路失控B马上将激光器短路，同时A、C打开，将半导体激光器和B从电路上断开。其中B的反应速度最快而A、C用一般的器件即可。

　　2.8 监控反馈模块

　　本模块通过包括在半导体激光器内部的探测器在内的大量探测器来收集信息，通过对信号发生模块、功率放大模块的控制来提高半导体激光器的稳定性。

　　3 结论

　　在本电源中使用慢启动电路和半导体激光器冷却装置等设备，能在一定范围内解决由于在电网中电源附近有大功率器件开关或其它原因引起的浪涌对半导体激光器的影响。而慢启动电路则会对整个系统起到保护的作用，使之不会因为在频繁的开关中缩短各个元件的工作寿命。本电源提供了带有冷却的半导体激光器插座，一方面减少由于过热而减少激光器寿命的可能性，另一方面可以将半导体激光器的“温漂”效应控制在较小的范围内。

　　1 引言

　　半导体激光器(LD)具有体积小、重量轻、转换效率高、工作寿命长等优点，在工业、军事、医疗等领域得到了广泛应用。LD是以电流注入作为激励方式的一种激光器，其使用寿命、工作特性在很大程度上取决于所用驱动电源的性能好坏。

　　设计一个符合LD技术要求、性能稳定、工作可靠的驱动电源是十分必要的。近年来，有不少科研单位研究开发了一系列LD用电流源，保证了LD的正常工作。

　　半导体激光器本身的性质决定其抗浪涌冲击能力差，这就要求驱动电源的稳定度高，浪涌冲击小，因此驱动电源中需要各种保护电路以满足实际要求。通常用慢启动电路、TVS(瞬态抑制器)吸收电路、限流电路等来防止浪涌冲击及电流过大。但大功率半导体激光器的工作电流较大，并且半导体激光器比较脆弱，传统的慢启动电路、TVS吸收电路不能很好地满足实际要求。本文在参考各种实用的保护电路基础上，设计出应用大功率器件强制吸收或隔离浪涌冲击和双限流保护电路，有效地保护半导体激光器不被损伤，具有较好的实际应用前景。

　　2　原理分析

　　2.1　半导体激光器损坏机理分析

　　在正常条件下使用的半导体激光器有很长的工作寿命。但在不适当的工作条件下，会造成性能的急剧恶化乃至失效。统计表明，半导体激光器突然失效，有一半以上的几率是由于浪涌击穿。因而如何保护半导体激光器，延长半导体激光器的使用寿命是研制大功率半导体激光器驱动电源保护电路的重要问题。主要应考虑：

　　1)激光器必须工作在限制电流以内，一个安全可靠的限流电路是不可缺少的。

　　2)为了防止驱动电源浪涌冲击，必须有比较强的浪涌吸收电路。

　　3)由于激光器是一种敏感的电流元件，所以驱动电流不能直接加在激光器两端，慢启动电路对激光器的防护也是必不可少的。

　　2.2　传统保护电路的特点

　　1)在隔离变压器的原边和副边加上TVS器件，利用其高速响应特性抑制过高的电网浪涌电压和雷电感应电压。这种措施比较有效，但受限于TVS的响应速度，如果响应速度达不到要求那就不能很好抑制浪涌冲击。

　　2)在直流电源和激光器之间增加π型低通滤波网络，进一步滤除浪涌电压。如能采用屏蔽电感和无感突波吸收电容则性能更佳。这实际上就是无源滤波，对降低电源纹波和吸收比较小浪涌有效。但对于大的浪涌，这种电路将会失效。

　　3)在直流电源和激光器之间增加慢启动电路使供给激光器的电压缓慢升高，避免突然上电或断开电源时给器件造成的冲击，同时，此举还能避免电路中分布电感引起的浪涌冲击。这种电路是必不可少的而且是切实有效的。

　　4)限流电路。这种电路也是必不可少的，但传统的限流电路通常是单路限流。

　　2.3　本电路设计主要特点

　　1)充分考虑并吸收了传统保护电路一些优秀设计思想，设计了电源开启时软启动电路，防止开机浪涌对器件和半导体激光器的损害。由于这种电路比较成熟，本文没有做详细阐述。

　　2)设计了双电流限制电路，保证通过半导体激光器的电流不会过流。

　　3)采用功率器件(MOS管)开通或关断来强制吸收或隔离浪涌，防止浪涌对半导体激光器损坏。

　　4)在激光器开通和关断的工作中设立慢启动过程，以减小工作中产生的浪涌对激光器产生不良影响。

　　3　保护电路的设计原理

　　3.1　限流电路的设计

　　这是个双限流电路，两个限流电路确保通过激光二极管(LD)电流不会超过设定值。具体工作原理如图1所示。

　　Q1为P型MOS管，Q2为N型MOS管。流过Q1的电流通过采样电路1变为电压信号与基准电压相比较，通过负反馈电路1控制，可使得流过Q1的电流恒定。通过半导体激光器LD的电流经过采样电路2变为电压信号与电流调节端电压相比较，如果流过半导体激光器的电流超过设定值，经过负反馈电路2调节使得通过Q2的电流增加，导致通过LD电流减小;流过LD的电流太小，经过采样电路2、负反馈电路2调节可使得流过Q2的电流变小，导致流过LD的电流变大，如此反复，通过负反馈电路的控制可使得流过半导体激光器的电流恒定，这种负反馈过程建立的时间很快。

　　3.2　浪涌吸收电路及慢启动电路的设计

　　浪涌多发生在功率器件开通和关断的瞬间，因为这个瞬间电路会有很大电流流过或者电路中某个器件两端会有很大的电压。图2为浪涌吸收及慢启动电路原理图。

　　这种电路是利用功率器件的开通或关断来强制吸收或隔离浪涌对器件的冲击。这个电路作用分三个阶段：

　　1)在使能端电压为低电平阶段。使能端电压为低电平，Q3导通，通过负反馈电路1的控制，Q1断开，强制隔离电源V+对半导体激光器LD的冲击;使能端为低电平，Q4导通，通过负反馈电路2控制，使Q2导通，这样即使有浪涌冲击，也会被Q2强制吸收，不会影响半导体激光器LD。

　　2)使能端从低电平到高电平阶段。Q3、Q4断开。设C1上的电压从V+降到基准电压值所要的时间为t1,C2从V+降到电流调节端设定电压值的时间为t2。

　　调节R5、C1和R6、C2参数可以使得t2mt1。这样在t1阶段，通过负反馈电路1的控制使得Q1慢慢导通，流过Q1电流从零直到恒定，这时由于t2mt1,C2上还有电压，通过负反馈电路2的控制使得Q2处于导通状态，这样流过Q1的电流，以及由于Q1开通产生的浪涌电流全部由Q2吸收，然后随着时间的增加C2电压慢慢降为零，流过Q2的电流慢慢减小，LD上电流慢慢增加直到达到设定值。

　　3)使能端从高电平到低电平阶段。使能端为低电平Q3,Q4导通。C1由于R5存在，电压从基准电压慢慢升至V+,通过负反馈电路1的控制使得Q1慢慢关断;Q4导通，V+直接给C2充电，电压迅速升为V+,通过负反馈电路2的控制使得Q2迅速导通，这样由于Q1关断产生的浪涌将会被Q2强制吸收。

　　4　实验结果及分析

　　驱动电源一个重要技术参数为电流稳定度。

　　电流稳定度是在一定时间内，多次测量通过负载的电流大小，然后通过数学计算得出输出电流稳定度大小。实验中每间隔一分钟测量一次，测量时间持续一个小时。测量时，用1.2Ω50W电阻作为模拟负载，测量模拟负载的两端电压，用模拟负载两端电压稳定性来标定电流稳定性。测量仪器为：电压测量仪器：Agilent34401A61/2digitmultime2ter,其精度可以达到0.00001V;供电电源为Agi2lentE3631AtripleoutputDCPowersupply12V,1A。电流稳定度实验数据如表1所示。

　　通过计算，其平均值为0.538623V。

　　电流稳定度计算公式如下：

　　此保护电路已经应用于实践，由于限流措施稳定可靠，半导体激光器的使用寿命得到了保证。利用功率器件的开通与关断强制吸收和隔离浪涌冲击，使得在脉冲工作状态下的浪涌冲击也被很好地抑制，图3是电源工作在脉冲状态下，负载实际的电压波形。

　　从图中可以看出脉冲的上升沿和下降沿没有过冲，满足使用要求。

　　5　结语

　　本文在分析半导体激光器损坏机理的基础上得出半导体激光器驱动电源设计的关键在于保护电路的设计。通过深入分析传统半导体激光器驱动电源保护电路的特点，找出其设计的优点和不足，并在充分吸收传统半导体激光器驱动电源保护电路优秀设计思想的基础上，设计出双限流电路，保证了流过半导体激光器的电流不会超过设计值，设计出了浪涌强制吸收或隔离电路，解决了浪涌冲击对激光器的损坏的难题。设计的驱动电源已应用于实践，电流稳定度很高，浪涌被很好抑制，具有较好的应用前景。

　　半导体激光泵浦的固体激光器由于兼有激光二极管和固体激光器的双重优点，近年来得到迅速发展，并在军事、通讯、加工和科研等领域得到广泛应用。但国内研制的激光电源功率小、体积大、稳定度低，不能与大功率半导体激光器的技术同步发展，满足不了使用要求。对于初级能源(输入级)，国内现有的电源设备主要采用传统的工频技术，因此存在体积大、设备重、效率低、自动化程度低等弊端，已经无法满足现代电源技术发展的需求。本文运用单片机数字化自动控制技术、LCD显示技术、开关电源稳压及恒流技术，设计实现了脉冲半导体激光电源，即新型高功率高压恒流充电装置，具有高平均功率、高效率、高度自动化、小型化等特点，作为输入级能使电源轻量化、小型化和实用化。能量转换与释放系统(输出级)以脉冲电流源的形式驱动负载，采用闭环控制，稳定度高。

　　电源要求达到的技术指标包括：输出电压最高为500V，输出脉冲电流为20A~160A可调，电流稳定度为±0.3%，纹波为±0.5A，频率为0.5Hz~15Hz可调，周期间重复误差为±0.1%，脉冲宽度为50ms~500ms，脉冲上升、下降时间为10ms。

　　大功率半导体激光器等效电路

　　本系统中将使用的大功率半导体激光器等效电路如图1所示。图中，Cs、Rs分别是半导体激光器的寄生电容和串联电阻，Ls为串联电感。

　　图1 大功率半导体激光器等效电路

　　大功率半导体激光器对供电电源设计的要求

　　本系统中，半导体激光器最大工作电流为160A，最高工作频率为15Hz，脉冲宽度为500ms，工作在脉冲电流源方式下。要求输出电流峰值不超过半导体激光器的最大允许电流，否则会造成激光器的永久性损坏。电流脉冲的顶部必须保持一定的稳定，以保证输出单个脉冲功率的稳定，同时，电流纹波要很小。为防止对半导体激光器的冲击，上升前沿在到达设定值后不能有过冲，下降沿不能有反冲。

　　产品工作原理

　　整机电路由直流稳压电源、贮能电容、液晶显示及MCU控制电路、脉冲功率控制电路、放电电路等几部分组成，如图2所示。

　　图2 整机电路

　　220Vac/50Hz交流电源经输入滤波，再经过DC/DC半桥转换、高频整流滤波器、输出滤波电路、反馈回路实现50Vdc-550Vdc输出直流稳压电源，该电源对6个10000mF并联电解电容进行充电，通过面板MCU控制器设定需要的具有一定周期、一定脉宽的输出电流值，该设定电流与功率MOSFET源电阻上反馈回来的电流共同送进差模运放，经过比例积分(PI)调节，控制MOSFET的压降，从而控制与MOSFET串连的负载的电流。放电电路的目的是当贮能电压高于负载和MOSFET所需电压时，进行放电。负载两端并联的快恢复二极管消除了反向过冲。PI调节器的参数调整保证了脉冲电流上升时间并没有过冲。

　　图3 开关电源结构图

　　设计方案

　　充电电源采用高频开关电源，能够做到体积小、重量轻。本脉冲电源的脉冲功率近80KW，储能电容体积庞大，必须从充电电源着手节省空间。开关电源采用半桥结构，如图3所示。对于高压输出，采用这种电路比较好，也比较成熟。同时初次级有变压器隔离，输出比较安全。环路控制采用恒压恒流控制技术，适应性很强。输出电压最高为550V，最高充电电流为1A，保证快速充电。恒压限流工作方式在电流极限前恒压工作，输出电压不随负载电流改变;当输出电流达到模块的电流限制设定值时，模块进入限流工作状态，不管负载电阻减小到多少，输出电流不变，这有利于满足各种负载条件。因开关电源产生的纹波会对激光器产生危害，必须采取输入、输出滤波及软开关等措施减小输出纹波。关于高频开关电源的技术有很多文章讲解，本文不再赘述。

　　采用功率MOSFET构成稳定电流源电路，使其工作在线性方式下。在MOSFET线性工作区间，实现对激光器的恒流供电，在必要的反馈控制下，输出电流的稳定度非常高。同时可充分利用MOSFET的优点，并联工作，获得大电流输出。基本电路如图4所示。

　　图4 功率MOSFET构成的电流源电路

　　Ipulse为设定的脉宽、频率和幅度可变的脉冲，RL为激光器负载，功率MOSFET可并联获得更大的输出电流，Rs上采样的输出电流与设定电流一起加到运放的输入端，经过比例积分调节，获得平滑的脉冲输出。Rs不可太大，太大会产生较大的压降，功耗也大;运放U1应采用高速运放，积分环节的电容C需仔细调节，保证脉冲波形无震荡，无过冲，波形平滑。运放U2为比例放大环节，把单片机输出的信号放大到需要的信号。实现较大功率稳定电流输出的电路形式主要有以下几种：三端可调性集成稳压块构成的稳定电流源电路、大功率运算放大器构成的稳定电流源电路、采用达林顿型功率晶体管(BJT)构成的稳定电流源电路、采用功率MOSFET构成的稳定电流源电路。

　　目前对功率MOSFET的研究主要集中在开关器件上，应用于线性放大电路还不多。同BJT相比较，功率MOSFET具有如下优点：在恒流区的功率MOSFET的转移特性比线性区的BJT有更好的线性度;功率MOSFET是多子导电器件，开关速度快，仅取决于多子的场漂移运动，BJT有少子存储效应，开关速度慢;驱动方面，功率MOSFET具有纯容性输入阻抗，需要较大的基极电流驱动，BJT集电极电流达到最大时，电流放大系数也降到很小，因此基极电流驱动功率较大，且开关时间明显延长，而功率MOSFET漏极电流增大的同时跨导也增大，栅极驱动功率基本不变。因此功率MOSFET对驱动电路的要求更低一些。这种电流源电路结构简单，可控性强、动态响应速度快、电流稳定度高、电流连续调节的平滑性较好。

　　因MOSFET工作在线性方式下，热设计很重要。功率管的多只并联、散热器保证一定的体积、机壳开孔通风、功率管压降保护在安全范围等措施，确保功率MOSFET的安全工作，从而保证稳定的脉冲电流输出。由于功率MOSFET工作在线性，一定要控制好管压降，避免功率管功耗太大，发热损坏。图5所示为管压降保护电路，VD为功率MOSFET漏极电压，该电压采样值与设定保护值比较，送进比较器U1，过压信号使Q1导通，Q1的C极接MOSFET的栅极，从而拉低栅极驱动信号，使MOSFET截止，得到保护。

　　图5 MOSFET管压降保护电路

　　采用单片机MCU控制，完成脉冲波形的输出，并实现各种保护及液晶显示的功能。电源输出的是幅度、频率可调、脉宽固定的高精度脉冲波形，由于系统的周期间误差要求很小，单片机在完成幅度调节、显示、测键等功能时，很难实现频率信号在时间上的准确性。所以本设计中采用双单片机方案，一片单片机负责液晶显示及LED显示，另一片单片机负责产生频率可调的脉冲信号及幅度可调的幅度信号，很好地解决了系统对时间精度的要求，如图6所示。

　　图6 双单片机控制方案

　　由于半导体激光器件价格昂贵，针对激光器的特点，系统控制带有过压保护、过流保护、超频保护等，确保激光器的安全工作。系统中要显示的信息有电流值、工作周期、工作脉宽、工作状态及操作方面的提示信息等。面板操作采用四个按键，配合使用来完成对电流值、工作脉宽及保护值的设定，简洁美观又方便。在单片机系统中常用的显示器有数码管显示器(LED)、液晶显示器(LCD)两种，在这里选用LCM2002A型字符点阵液晶显示模块。该显示模块显示内容5×8点字符点阵式，20×2行，内藏KS0066控制器，该控制器可以方便地与多种单片机相连。

　　由于采用单片机和液晶显示器，模块的智能化功能很强。便于实现无人值守和远端监控。

　　参数设计

　　由前面所述本电源工作原理及图2可知，本电源设计主要有开关直流稳压电源和脉冲功率控制两部分。

　　首先是开关电源输出电压电流的选定。输出电压最大为500V，输出电流最大为160A，加上MOSFET管压降和源电阻压降，并考虑电解电容的选择，选定开关电源电压最大为550V，开关电源用来为6个10000mF串并联电解电容充电，充电时间考虑设定在10s之内， 所以选定输出电流限制在1A。两个电容串联起来是为了能承受较高的电压。电容的大小用如下公式计算：

　　其中，Poutmax为最大输出功率，ΔT为最大脉宽500ms，Voutmax、Voutmin为电解电容电压在脉冲输出前的电压和脉冲输出时的电压，一般取二者差值为3V~5V。

　　脉冲功率控制部分主要为功率MOSFET的选择。根据550V最低贮能电压和最大160A输出电流，选定APT公司的N沟道增强型MOSFET，型号为APT8030，该管子VDS为800V，ID为27A，导通电阻只有0.3Ω。现在确定选用几只管子比较安全，主要考虑对管子工作时的热设计要在安全工作区。通过对管子脉冲状况下的热阻的计算，并考虑最高环境工作温度为50℃，选定4只APT8030，同时要足够的散热器面积以保证管壳温度不能超过70℃。根据以下公式确定管子的最大功耗：

　　其中，PD为功率管最大功耗，Tj为功率管允许最大结温，取125℃，Ts为散热器最高温度，环境温度为50℃时，取70℃，自然冷却，Rjs为功率管结到散热器的热阻，包括结到外壳、外壳到绝缘片、绝缘片到散热器的热阻。由此选择功率管的数量和散热器的大小。

　　应用情况

　　本产品设计出来后，经使用满足了大功率激光器的要求，电流稳定度达0.2%，具有输出噪声低，较好的动态和静态响应，功率电路简单，控制及保护电路完善，可靠性高，模块化结构，便于更换及扩容，功能齐全，便于实现远距离遥测、遥控等特性。